卫星通信在海上移动网络中的应用

● 文| 南京航空航天大学 宗朋

卫星通信在海上移动网络中的应用

● 文| 南京航空航天大学 宗朋

一、前言

海洋占据了地球约3/4的面积，而海上通信始终是人们开发海洋资源和跨洋航行所面临的巨大难题。地空高频无线通信受距离的限制，无法为飞机或轮船的跨洋航行提供持续有效的通信保障。卫星通信以其方便灵活的特点可以为轮船、飞机等航线提供连续的通信覆盖。为此在远洋和航空运输领域的发展十分迅速，同时航海和民航运输业也对卫星通信提出了更高的安全要求。此外在竞争激烈的民航运输业中，为旅客提供更安全更有趣的飞行旅程是航空公司取得领先地位的关键。从2009年起，美国联合航空、汉莎航空以及日本航空等航空公司就率先推出了空中上网服务。2014年7月，东方航空公司MU5101航班在京沪航线上测试飞机WiFi系统，一定程度上满足了旅客在飞行途中浏览网页、微博等基本的上网需求。但这些均是内陆航线，跨洋航线的空中上网服务还在不断地发展中。这一切都需要高速率的数据通信和互联网应用。随着用户对传输速率和系统容量需求的不断增加，早期的低速率应急Inmarsat卫星通信已不能满足市场的需求，这就需要构建新型的海上移动通信系统，来满足各种海上终端和飞机的通信要求。如何像地面蜂窝网技术一样在海上提供有效的连接，成为人们所关心的热点问题。

二、卫星通信在海上的应用

1.民用、航海及救助方面

近年来,海上出现了许多重大灾难性事故，都是与失去地面联系有关。无论是大型轮船还是海上国际航班，一旦离开了陆地便处于危险之中。与陆地保持良好的通信联络是航行安全的基本保障，也为及时的救援工作提供基本手段。另外，随着航班安全系数的提高，人们也越来越关心旅途中的娱乐，上网聊天与亲人实时沟通、及时处理工作上的事务等等。这一切都越来越依赖航线上的通信链路。尽管海事卫星组织在这方面做出了积极的努力，并建立了较为完善的全球覆盖系统，基本上解决了应急联络问题，尤其是针对海上船只。其第五代系统已经考虑了将基站搬到空中的思路。这为推进卫星通信在空中的应用迈出了一大步。但是由于卫星资源利用的瓶颈问题，使得这一设想还不一定能完全付诸实施。

2.军用、作战及指挥方面

从现代化战争的发展来看，卫星通信起着至关重要的作用，尤其是远洋作战。当远离本土大本营后，唯一保持与神经中枢联系的手段就是卫星通信。海湾战争便是最典型的例子，美军依靠强大的卫星系统，对敌方目标进行侦查，在开战前就部署了海上精确的打击计划，使得伊拉克没有任何还手能力，其防御体系就被摧毁。另外，在登陆后美军利用完备的通信系统从单兵到集团组成了一个庞大的超级作战有机体。即便是在二战时期的海战中，通信也是致胜的关键。中途岛海战中，强大的日军航母舰队就是因为侦察机电台故障，没能够及时传递美军航母位置的重要信息而遭到毁灭性的打击，从优势转为劣势，进而使得整个战争向着不利的方向扭转。海战中，特别重要的就是联络和指挥，由于作战距离远，很难确定自己和敌方的动向，因此把握敌情，确定飞机何时离开航母，何时回到航母是决胜的关键。及时起飞才能保护自己和航母，及时返航才能补给油料弹药。这一切都需要通信来保障。

三、现有的技术及所面临的问题

1.通信距离限制

目前，海上通信主要方式包括：在距离海岸线30海里以内海域，海上通信可以借助地面移动通信；距离海岸线30～50海里海域，海上移动通信则采用VHF或UHF频段无线电对讲或通过卫星进行语音和数据通信；距离海岸线50～180海里海域，主要采用单边带短波电台通信；距离海岸线180海里以外海域，采用超短波电台通信。因此，卫星通信在有效解决海上远距离通话方面，还是具有突出的优势。但由于信道资源的匮乏，通信成本比较昂贵，还不能与地面网络相媲美。

2.网络通信限制

随着地面网络的迅速发展，人们对网络应用的需求也越来越高，除了常规的通话外，几乎所有的终端业务都依赖网络。目前地面移动网络已由2G发展到了3G和4G，很快就要推出5G业务。人们上网的速度将提升近百倍。而海上的网络业务覆盖还几乎为零，部分场所只能借助卫星通信手段，停留在2G蜂窝链路交换的水平。

四、通过卫星解决海上通信难题

1.解决海上通信难题的思路

解决海上通信覆盖，较快捷和便利的方法就是借助卫星通信。而卫星通信的手段一般基于同步卫星或低轨卫星。早期的方式是以同步卫星为主，如海事卫星系统，由于受传统的资源分配方式所限，其空间段利用率相对较低，而且与地面系统不兼容，因此难于普及。近些年又出现了星座式卫星网络，在某种程度上能够满足终端小型化的要求，但受系统造价的影响，使得使用成本居高不下，限制了推广和发展。因此有必要考虑一种结合已有卫星网络优势又能兼容地面系统的方法。

基于上述考虑，我们可以考虑借助卫星发展海上蜂窝系统，其基本思想是在海上建立蜂窝基站或WiFi接入点。一种方法是建立固定的基站，比如浮标型基站，但由于业务的不均衡和稀疏，将会带来造价高和系统维护困难的问题。另一种方法是建立随终端移动的基站，也就是在船上或飞机上配备基站，再通过卫星连接到地面网络上。这种设想已在第五代海事卫星系统中有所考虑。

2.卫星海上通信要考虑的问题

解决海上通信首先要考虑的是信道传播问题。作为移动通信环境，海上的信道环境尤其特殊。特别是海浪造成的电波反射，及所造成的吸收和多径传播影响，与地面情况存在着很大差异。海水是种良好的导体，对电波有着较强的传导和吸收作用。况且，受海洋气象的影响，海面对电波呈现出复杂的反射和折射环境。因此要充分研究船与船、飞机与船、飞机在海上与卫星间的信道传播问题，这样才能准确建立信道模型，以便于设计出适应于海上移动通信的体制和信号处理方式。

另一个需要考虑的是如何兼容地面网络的卫星资源分配问题。传统的卫星资源分配技术主要是面向关口站或相对集中的终端业务，而对混合型业务的考虑相对较少。其主要原因是过去的卫星终端网络相对独立，使得直接接入其他网络或终端的应用较少，而且与其他网络连接的协议不够灵活。卫星网络终端的主要业务是话音或批量数据，并且不关心其业务的形态，因此缺乏针对不同业务的系统服务质量管理。终端接入卫星资源多采用预约申请，按需分配。这就造成了普通移动终端或基站难于直接接入卫星资源，因而需要对地面网络设备进行兼容和协议改进，以适应不同业务的要求。比较典型的措施是采用基于预测的多址接入方式。这就要求从卫星网络管理上要对接入的业务进行统一管理，当普通移动终端或基站产生上星业务时，卫星网络能够自适应地进行资源分配，控制卫星终端上传业务。

五、结束语

海上卫星通信对开发海洋资源，提供海上生活与航行的应急保障和娱乐服务具有深远意义，也是继地面网络事业蓬勃发展的另一个巨大的市场空间。同时它在现代化海上战争中的地位更是举足轻重。借助地面网络发展的辉煌成果推动海上移动网络建设是卫星通信的重要使命。

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